酸堿化學(xué)法對剩余污泥沉降和脫水性能的研究

高 彬，劉 茜

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，西安 710018）

剩余活性污泥有機(jī)物含量高、顆粒細(xì)小、高度親水，并且污泥顆粒主要是由微生物通過胞外聚合物和金屬陽離子等架橋而形成的復(fù)雜絮體，即菌膠團(tuán)[1]。目前，通過不同物化學(xué)、生物等技術(shù)方式，人們可以改變污泥的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)污泥的絮凝性能，增大污泥顆粒，減小固體顆粒和水分間的親和力。

pH值作為影響活性污泥微生態(tài)系統(tǒng)的主要物理因素，能夠影響污水處理過程中活性污泥中微生物的種類、數(shù)量、代謝方式、代謝產(chǎn)物類型以及活性污泥的沉降特性和沉降過程等[2]。本試驗研究旨在選用簡單的化學(xué)調(diào)理劑，研究污泥沉降和脫水的作用機(jī)理，從而更大程度地改善污泥的沉降和脫水性能，為污泥的后續(xù)處理和處置提供較優(yōu)的污泥形態(tài)。

1 材料與方法

1.1 供試污泥

本研究以馬鞍山市第一污水處理廠二沉池回流活性污泥為研究對象。

1.2 測定方法

1.2.1 污泥沉降性能的試驗方法

分別取1 000 mL預(yù)處理調(diào)理后的混合液和原污泥分別倒入1 000 mL的量筒中，記錄不同時間的污泥界面，以衡量不同預(yù)處理方法對污泥沉降性能的改善情況。

1.2.2 污泥自由水的測定100 mL污泥在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min后的上清液水分重量即為自由水含量。

1.2.3 污泥真空過濾脫水試驗

將62.5 mL上述不同預(yù)處理方法調(diào)理過的污泥倒入真空過濾脫水裝置的布氏漏斗中，在0.1 MPa真空度下過濾并計時，記錄濾液體積到達(dá)50 mL時所消耗的時間，記為T。

1.2.4 泥餅含水率

當(dāng)濾液停止濾出后，持續(xù)30 s關(guān)閉真空泵，將濾紙連同污泥稱量，隨后在溫度設(shè)置為105℃干燥箱中干燥24 h再稱量，計算濾餅含水率。

1.3 污泥預(yù)處理

將污泥進(jìn)行沉淀濃縮（使SS達(dá)10 g/L左右），得到原污泥（RS），在7個1 000 mL的燒杯中加入800 mL的受試污泥，然后分別用4 mol/L的HCl和6 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)污泥的pH值到2、4、6、8、10、12，在攪拌下維持pH值穩(wěn)定5 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗現(xiàn)象

不同預(yù)處理污泥表觀顏色，污泥顆粒都有所改變，同時伴有濃烈臭味。酸性處理中，污泥上清液顏色基本與原污泥相同，但表面漂浮有大量黏稠的絮狀物質(zhì)，污泥顆粒為絮狀，易分層；堿性處理中污泥上清液變?yōu)檩^為清透的深棕色，污泥顆粒為細(xì)小顆粒狀，懸浮于上清液中，不易分層。經(jīng)酸堿處理后，污泥釋放出的碳水化合物和蛋白質(zhì)通過美拉德反應(yīng)發(fā)生褐變，生成褐色物質(zhì)。

2.2 pH對污泥絮體結(jié)構(gòu)的影響

由于污泥自身結(jié)構(gòu)特點，EPS中的蛋白質(zhì)、糖類以及細(xì)胞污泥都具有緩沖能力，使得預(yù)處理污泥pH向中性變化。但pH=2和pH=12污泥的pH恢復(fù)能力有限，表明極端酸堿環(huán)境可能對絮體和微生物造成不可逆影響。

污泥中COD分為溶解性和不溶解性COD，而不溶解性COD主要存儲于揮發(fā)性懸浮固體和污泥細(xì)胞中。不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物方式有兩種，即因污泥絮體破碎而導(dǎo)致胞外聚合物（EPS）的釋放和因微生物細(xì)胞的破碎而導(dǎo)致胞內(nèi)有機(jī)物的釋放[3]。酸堿處理污泥SCOD及DDCOD變化如圖1所示，酸堿處理污泥VS變化如圖2所示。由圖1可知，酸堿處理后，強(qiáng)堿污泥中SCOD大幅增加，強(qiáng)酸污泥中SCOD卻基本無變化。這表明強(qiáng)堿性環(huán)境可破壞污泥細(xì)胞細(xì)胞壁，發(fā)生融胞作用；強(qiáng)酸性環(huán)境因為HCL不是強(qiáng)氧化性酸，僅能致死部分污泥微生物，無法使微生物發(fā)生大量細(xì)胞融解作用[4]。

圖1 酸堿處理污泥SCOD及DDCOD變化

圖2 酸堿處理污泥VS變化

圖3 酸堿處理污泥顯微鏡照片

由圖3可以看出，污泥絮凝體機(jī)構(gòu)遭到不同程度的破壞，由原污泥開始，隨著pH的增加，污泥絮凝體的破壞程度逐漸增加，強(qiáng)堿污泥中的絮凝體的破壞程度最大，基本找不到完整的絮凝體。

圖4 酸堿處理污泥SVI變化

2.3 pH對污泥沉降性能的影響

污泥體積指數(shù)（SVI），常作為反映污水處理過程中活性污泥沉降性能的指標(biāo)。學(xué)者張鎮(zhèn)南等人認(rèn)為，當(dāng)SVI大于150 mL/g時，污泥的沉降性能很差[5]。部分研究者認(rèn)為，EPS數(shù)量增大不利于污泥沉降，污泥表面離子化聚合物的濃度和性質(zhì)決定了污泥表面的電荷（即Zeta電位），EPS含量過高導(dǎo)致污泥表面電負(fù)性增大，致使沉降性能惡化。

因污泥微生物的胞外聚合物中含有兩性物質(zhì)，兩性物質(zhì)在酸性條件下會溶解，轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)，而在堿性環(huán)境中無法溶解，使得酸性環(huán)境的污泥表面電負(fù)性小于堿性環(huán)境，同時由圖4可知，污泥SVI指數(shù)隨著pH逐漸增加而增加。所以，酸性環(huán)境有利于污泥沉降，而堿性環(huán)境不利于污泥沉降，該結(jié)果與圖5中污泥沉降曲線的結(jié)果相一致。

圖5 酸堿處理污泥沉降曲線

2.4 pH對污泥脫水性能的影響

真空脫水時間是反映污泥脫水性能的重要指標(biāo)，而Zeta電位則是污泥真空脫水的重要影響因素。研究表明，污泥中pH值將會影響微生物及懸浮顆粒表面的電荷性質(zhì)、數(shù)量及中和電荷的能力。

酸性環(huán)境下雖然能破壞部分菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，但無法使污泥細(xì)胞發(fā)生融胞現(xiàn)象；提升污泥沉降性能同時，它卻少量增加了細(xì)小顆粒數(shù)量，使得脫水性能下降。強(qiáng)堿環(huán)境中，菌膠團(tuán)和污泥細(xì)胞同時被破壞，使得液相環(huán)境中細(xì)小顆粒急速增加，嚴(yán)重影響了污泥的脫水性能。同時，在原污泥等電點兩側(cè)，細(xì)胞外兩性物質(zhì)部分被逐漸中合，分子因相互排斥逐漸分離。污泥顆粒的相互排斥與吸引影響了污泥顆粒粒徑的大小，從而決定了污泥真空脫水的時間，影響污泥脫水特性。

3 結(jié)論

改變污泥pH后，污泥中絮體結(jié)構(gòu)變化，強(qiáng)堿環(huán)境中污泥細(xì)胞發(fā)生融胞作用。強(qiáng)酸環(huán)境中，污泥中兩性物質(zhì)發(fā)生溶解，降低SVI，有利于改善污泥沉降性能。酸堿預(yù)處理能夠不同程度破壞菌膠團(tuán)，加之堿性環(huán)境中發(fā)生融胞現(xiàn)象，使得分子顆粒電荷發(fā)生改變，液相中細(xì)小顆粒數(shù)量增加，均不利于提高污泥脫水性能。